煤层厚度变化时地震槽波理论频散曲线计算方法及频散特征分析

槽波地震勘探利用槽波的频散特性反演煤层的结构特征,故理论频散曲线的计算是一个重要方面.使用水平层状模型假设下的面波频散曲线计算方法能够计算煤层厚度恒定模型地震槽波频散曲线;但当煤层厚度变化时该方法不再适用.基于前人水平层状均匀介质模型的面波理论频散曲线计算方法,对于含煤三层模型,本文发展了煤层厚度变化情况下的地震槽波理论频散曲线计算方法,并使用该方法计算分析了不同厚度函数模型的频散曲线形态特征.研究表明：与稳定厚度煤层相比,煤层厚度变化使得地震槽波群速度成为与频率及传播射线在水平面投影路径相关的二元函数;射线路径上煤层厚度的变化使得频散曲线在群速度方向上压缩,群速度变化范围变小,且使处于最小值位置的埃里相群速度增大;而煤层厚度的线性变化模型频散曲线只与射线首、尾处的煤层厚度有关,与煤层厚度恒定模型相比,曲线形态不发生改变;煤层厚度呈非线性变化时,频散曲线形态上可能发生改变.

     

HTI煤层介质槽波波场与频散特征初步研究

煤层内裂隙较为发育,具有明显的各向异性.目前槽波理论研究以各向同性介质为主,对HTI介质中槽波及其频散性质研究很少.本文以弱各向异性、含垂直裂隙HTI煤层介质为研究对象,研究了HTI煤层介质中的三维槽波波场,采用交错网格高阶有限差分法模拟槽波,推导了三层水平层状HTI煤层介质的Love型槽波理论频散公式和振幅深度分布,分析了HTI各弹性参数对频散曲线的影响.HTI介质和各向同性介质基阶Love槽波频散曲线差异较小,高阶较大;煤厚主要影响Airy相频率,而Airy相速度不变;煤层v_s对Airy相速度影响很大;煤层γ对基阶Love槽波影响很小,高阶稍大.各波偏振方向不再与波的传播方向平行或垂直,而是呈一定夹角.利用基阶Love槽波频散曲线推测裂隙发育较为困难,可利用高阶频散曲线.

     

含小断层煤层Rayleigh型槽波波场和频散分析

煤层隐伏小断层在煤田地质勘探期间能否查明,是影响煤矿安全生产的主要地质因素.煤层中传播的地震槽波,非常适用于探测煤田异常构造.本文利用谱元法模拟计算了含断层模型Rayleigh型地震槽波的产生、传播过程,对于直达槽波、反射槽波、透射槽波进行了波场特征分析,频散特征分析,频谱特征分析.根据不同小落差断层模型（垂直断距分别为1/4、1/2、3/4、1个煤厚;断层倾角分别为90°、60°、45°）,分析了Rayleigh型槽波传播过程中断层对反射槽波、透射槽波能量、频谱的影响效应.基于以上分析,对于小断层模型中的Rayleigh型地震槽波取得了一些规律性认识,并对Rayleigh型地震槽波的勘探应用做了一些探讨.

     

煤矿井下槽波三维数值模拟及频散分析

采用交错网格高阶有限差分法编制了地震波场三维正演模拟软件,设计了基于镜像法原理处理煤矿井下近水平和起伏巷道特殊空间的算法;模拟了煤矿井下含巷道和不含巷道情况下煤层中传播的地震波场,并分析其频散特征.结果发现:由于巷道的影响,巷道壁上产生很强的巷道振型槽波,煤层中则出现了以Love型为主的槽波,据此分析了实际槽波记录的形成机理,研究结果对今后煤矿井下巷道地震超前探测和工作面弹性波透视等具有重要的理论意义和实际价值.     

面波频散测量的频时分析法

总结了面波频时分析(FTAN)的主要成果,如移动窗分析法、多重滤波法、残差频散测量法、时间变量滤波法,力图阐述各方法间的联系.对滤波参数的选择,详细介绍了常相对带宽、均等显示滤波、线性时间分辨、最佳滤波等,其中线性时间分辨是本文首次提出的新方法.对频时分析中的显示技术作了必要的讨论,最后介绍了如何利用频时分析方法作相速度测量.     

Rayleigh波频散曲线“交叉”及多模式耦合作用研究

Rayleigh波可以用来反演近地表结构,在工程物探、石油物探、地球内部结构探测中均有重要意义.数值计算得到的含低速层的层状介质对应的Rayleigh波频散曲线会出现看似“交叉”的现象,但是对于这种现象目前还没有进行系统的研究.事实上可以验证,有些看似交叉的频散曲线实际上不相交.改变低速层的厚度和横波速度发现低速层越明显（即低速层速度越低或层厚越厚）频散曲线越不容易相交.凡友华等在2007年提出频散曲线对应着四种基本模式,在频散曲线发生“交叉”现象的区域实际上存在两个以上模式的频散曲线.本文主要研究了存在R模和S2模的区域内频散曲线的“交叉”现象.首先利用竖直本征振动曲线研究R模和S2模Rayleigh 波的振动特点,发现R模对应的本征振动主要集中在地表,随着深度变化能量快速衰减,S2模对应的本征振动主要集中在第2层.研究“交叉点”附近频散点对应的本征振动曲线发现这一区域有些Rayleigh波同时具有R模和S2模的振动特点,对应着一种耦合模式.通过对实例的研究发现,在“交叉点”附近,若两条频散曲线不发生交叉,则每条曲线对应的模式会发生R模和S2模之间经由耦合模式的转变,本文称这种现象为两种模式发生耦合;若两条频散曲线相交,则同一条频散曲线上的Rayleigh波模式几乎相同,只是在离交点很近的区域会存在一些耦合模式,本文称此时两种模式不发生耦合.本文研究结果主要供Rayleigh波对低速层结构的反演研究参考.     

我国东南地区πg波的频散特征

本文利用1987年8月在江西省寻乌发生的三次5.0级以上地震的记录资料,讨论了我国东南地区π_g波的传播特征。结果表明:π_g波的初至波速为6.00km/s,与Press的结果相近;π_g波有明显的频散特征,其卓越周期为0.6—0.8秒,较多表现为正常频散,同时也有少量表现为反常频散,由π_g波的波数及波峰的水平合成矢量得到的振幅辐射图象,基本上与弱非均匀介质辐射图象相近;π_g波各波数水平到时与垂直到时存在明显的到时差。     

Rayleigh波的频散方程高频近似分解和多模式激发数目

对于在Rayleigh波勘探中经常提取到的多模式频散曲线,如何在理论上对其特征进行描述是一个很有意义的问题. 本文根据Rayeigh波频散方程中传递矩阵具有的高频近似特征,提出了传递矩阵的高频近似分解公式,据此导出了频散方程的高频近似分解公式,并在此基础上,定义了Rayleigh波的4种基本模式(R模、S模、R型周期模和S型周期模). 根据频散方程具有的周期性特征,给出了周期模频散曲线之间的平均间隔近似公式,以及在任意频率和相速度段内频散方程根的数目（即多模式的激发数目）的预测公式. 在这些结果的基础上,本文最后提出了频散方程数值搜根的一种新方法.     

瑞利型槽波品质因子及特性分析(英文)

为了探明介质的非完全弹性对瑞利型槽波传播的影响以及利用瑞利型槽波品质因子Q_R反演煤层碳化程度、裂隙、煤层厚度等煤层属性,在本文中,我们将复速度引入瑞利型槽波频散方程,计算了煤层瑞利型槽波的品质因子Q_R曲线;采用控制变量法,分析了瑞利型槽波品质因子Q_R随煤层厚度、煤层纵横波品质因子以及围岩纵横波品质因子的变化规律。研究表明:瑞利型槽波品质因子Q_R曲线与群速度曲线变化趋势一致;埃里相(Airy-phase)频率附近瑞利型槽波的品质因子Q_R最小,且埃里相频率随煤层厚度增加而减小;瑞利型槽波品质因子Q_R随煤层横波品质因子Q_(S2)的增大而增大。利用瑞利型槽波品质因子Q_R曲线可以实现对瑞利型槽波的吸收衰减进行补偿、对煤层厚度进行预测以及岩性成像。     

水平层状介质中Rayleigh波多模式速度频散和椭圆极化频散特征物理实验模拟研究

Rayleigh波勘探作为地震勘探的主要方法之一,一直受到地球物理勘探学界的广泛关注,而Rayleigh波研究领域的焦点就是对频散特性的研究.本文基于超声虚拟仪器实验平台,从超声波和超声换能器特性出发,对均匀介质、低速覆盖和高速覆盖等模型中的Rayleigh波波场进行观测,运用时域分析、f-v域波场变换和H/V谱比等方法,研究层状介质中Rayleigh波多模式速度频散和椭圆极化的频散特征.在实验过程中,虚拟仪器技术的运用为Rayleigh波频散特性的多模态展现和识别提供了良好的平台,是本研究有力的技术保障.实验研究发现,在低速覆盖的水平层状介质中,Rayleigh波存在多模式频散,高阶模式对浅层速度变化更敏感,即便基阶模式面波占优,高阶成分仍易对地层信息识别造成误判;然而,当上覆层为高速介质时,此类模型中未观测到明显的Rayleigh波多模式现象.研究还发现Rayleigh波椭圆极化率与介质泊松比是密切相关的,该结论与前期理论研究结果非常吻合,从而进一步验证了Rayleigh波椭圆极化频散用于评价地层速度结构的可行性.     

煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测数值模拟

对煤巷小构造地震波场进行了数值模拟研究,分析了层状煤层中地震波的传播特征.研究表明:(1)在煤巷迎头前方煤层内以纵波震源激发的Rayleigh型槽波相对于体波能量较强,波列较长,波速较低.(2)沿煤层传播的Rayleigh型槽波在小构造面上产生Rayleigh型槽波反射波,反射Rayleigh型槽波垂直分量相对于水平分量能量较强.沿煤层反向传播的反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头面上转换为沿煤巷底板传播的Rayleigh面波.沿煤巷底板可以接收到能量较强的反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波,其可以作为超前探测小构造面的特征波.在地震记录上反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波波至最迟,在时间域与其他波列时间间隔较大,其垂直分量能量相对于水平分量较强,在地震记录上容易识别.(3)在相同的地质条件下应用反射地震超前探测方法,标志煤巷迎头前方存在小构造面的反射地震波能量较弱,受煤巷顶、底板界面和采煤迎头面的强反射波干扰,在地震记录中难以识别.     

孔隙地层轻质水泥套管井中偶极弯曲波的激发与传播特性

针对软地层套管井中弯曲波频散移向高频,以致超出了现行偶极声波测井仪器的激发频带的问题,本文在井外为孔隙地层时,采用Biot模型对套管井多极源激发的声波场进行了理论推导,对套管井偶极弯曲波的频散特性进行了数值模拟,考察了高密度水泥(或快速水泥)和低密度水泥(或轻质水泥)情况下的弯曲波频散,分析了不同水泥环对弯曲波主频散区和激发谱偏移的影响,重点对轻质水泥套管井中偶极源激发的模式波频散与激发谱及临界折射P、S波激发特性进行了研究,并考察了渗透率、孔隙度对弯曲波频散及衰减的影响,利用实轴积分法计算了偶极声源激发的时域全波波形.分析对比结果表明,在快速水泥情况下弯曲波频散曲线随着地层特征横波速度的减小会迅速向高频移动,随着快速水泥向轻质水泥变化,弯曲波频散曲线向高频移动将会减缓,对于特征横波速度低于1400m·s~(-1)的软地层,偶极弯曲波基础模式主频散区(或截止频率)可以由原来13kHz向低频移动至4kHz;在轻质水泥套管井中,无论是硬地层还是软地层,在目前偶极声波测井仪器声源主频激发下,接收波形中弯曲波均占主导地位.     

Inverse determination of soil density and stress state using dispersion wave measurements and cone penetration tests in a non-layered soil

The determination of the void ratio and stress state distribution in undisturbed soil is still an ambitious aim which cannot be reached by sampling from bore holes. Therefore, an alternative method is proposed to determine soil density and stress state using dispersion wave measurements and cone penetration tests. Dispersion wave measurements and resonant-column tests are carried out to measure the shear wave velocity and shear modulus distribution with depth. Using finite element calculations a relationship between cone penetration resistance, stress state and void ratio is derived. From these results the void ratio distribution and the stress state can be calculated inversely. The inverse method is applied to real test data. The results of the inverse parameter determination are shown and assessed regarding the possibilities and the limitations of the presented method.     

大型浅水湖泊太湖波浪特征及其对风场的敏感性分析

以空间均匀的实际风场为驱动,利用SWAN模式模拟了太湖波浪场,结果表明:SWAN模式能够较好的模拟太湖波浪的生成与传播,适用于大型浅水湖泊(太湖);同时分析了该风场驱动下下太湖风浪谱,波浪的绝对频率主要集中在0.45～1.0 Hz的中高频率段;风向与波向具有高度一致性.在同一风速下,太湖不同区域波浪成长稳定时间不同,湖心区稳定的谱峰频率在0.342～0.585 Hz之间,湾区及西山岛附近狭长水域稳定的谱峰频率在0.447～0.765 Hz之间;在同一区域,风速增大,波浪稳定时间减少,谱峰频率沿低频推移,在湖心区谱峰频率最小不低于0.340 Hz,湾区、西山岛附近狭长水域最小不低于0.447 Hz;风向的改变对湾区及西山岛附近狭长水域的波浪频谱形状影响较大.